Verfahren und Anlage zur Verfestigung von Betonstahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung von Betonstahl, insbesondere von schweißbarem Betonstahl, der durch Warmwalzen hergestellt wurde, wobei der Betonstahl kontinuierlich im Durchlaufverfahren kalt einer mechanischen Verformung unterworfen und dadurch unter anderem in bezug auf seine Streckgrenze und seine Dehnung eingestellt wird. Der Ausdruck Betonstahl bezeichnet im Rahmen der Erfindung gerippten und ungerippten Betonstahl, insbesondere auch Betonstahl mit Schrägrippen sowie gegebenenfalls Längsrippen, z.B. Betonstahl nach DIN 488. Die Erfindung betrifft fernerhin eine Anlage zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens.

Im Rahmen der bekannten Maßnahmen, von denen die Erfindung ausgeht, ist die mechanische Verformung eine Kaltreckung. Bei dem in die großtechnische Praxis eingeführten Verfahren resultiert das Recken aus einer Torsionsverformung mit Hilfe einer Torsionsmaschine, die diskontinuierlich arbeitet. Die diskontinuierliche Verfahrensführung stört den betrieblichen Ablauf. Für die einzustellende Streckgrenze sowie für die einzustellende Reckung müssen verhältnismäßig große, unvermeidbare Toleranzen zugelassen und berücksichtigt werden. Insbesondere sind die Werte für die Streckgrenze und die Reckung über die Länge eines Betonstahls nach Maßgabe der unterschiedlichen Reckungsabschnitte, die zu der diskontinuierlichen Verfahrensweise gehören, wenig gleichmäßig. Die Dauerschwingungsfestigkeit des so gereckten Betonstahls ist häufig unbefriedigend. Es besteht bei Schwingungsbeanspruchungen Dauerbruchgefahr. Andererseits verlangt die Praxis im zunehmenden Maße auch hohe Werte für die Dauerschwingungsfestigkeit. - Wegen der beschriebenen Probleme wird, um bei Betonstahl die vorgeschriebenen Werte für die Streckgrenze und die Dehnung einzuhalten, häufig von der beschriebenen Kaltreckung durch Torsion Abstand genommen und werden die vorgeschriebenen physikalischen Eigenschaften durch Microlegierung eingestellt, insbesondere durch Zugabe von Vanadium. Das führt zu befriedigenden Ergebnissen. Das ist jedoch wegen der Notwendigkeit, Vanadium zuzulegieren, aufwendig, zumal die Vanadium-Preise in der Tendenz seit vielen Jahren steigen und weitere Steigungen zu erwarten sind.

In neuerer Zeit ist darüber berichtet worden, daß das Microlegieren durch ein kontinuierliches Recken ersetzt werden kann (Werkzeitschrift "Report" der Hamburger Stahlwerke Gesellschaft mit beschränkter Haftung vom 22. Juni 1969, Seite 11). Hier wurde mit einer Reckmaschine gearbeitet, die zwei mit unterschiedlicher Umfangsgeschwindigkeit arbeitende Reckscheiben aufweist. In diesen Zusammenhang gehört eine ältere Patentanmeldung (EP 90 111 026.2, PatG § 3 (2)), die lehrt, daß der Stahldraht kontinuierlich gereckt wird und dazu über zumindest zwei angetriebene Reckscheiben oder Reckwalzen geführt wird, die mit unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten auf den Stahldraht arbeiten, daß über die Umfangsgeschwindigkeitsdifferenz der beiden Reckscheiben der Reckgrad gesteuert wird, und daß über die Reckgeschwindigkeit die Streckgrenze und die Dehnung gesteuert bzw. eingestellt werden. Dabei wird der Stahldraht mit einem Mindestkrümmungsradius von 500 mm über die Reckscheiben geführt. Im Rahmen dieser Maßnahmen ist die Biegeverformung an den Reckscheiben spärlich. Sie wird so eingerichtet, daß die Reibungskräfte, die auf den Betonstahl einwirken, zur ausreichend schlupffreien Mitnahme des Betonstahls ausreichen und die beschriebene Reckung im Bereich zwischen den beiden Reckscheiben bewirken. Die Biegeverformung an den Reckscheiben bewirkt keinen zur Verfestigung selbst erheblich beitragenden Effekt. Die Rekkung erfolgt in Längsrichtung des Betonstahls. Die erzeugte Verfestigung ist insoweit eine einachsige Kaltverfestigung mit beachtlicher Anisotropie über den Querschnitt des Betonstahls. Die durch diese Kaltverfestigung erreichbaren Qualitätsverbesserungen können durch den Bauschinger Effekt beeinträchtigt sein, was für bestimmte Anwendungen des hergestellten und verfestigten Betonstahls stört. - Der Bauschinger Effekt beschreibt eine besondere physikalische Erscheinung: Die plastische Verformung eines Werkstoffes in einer Richtung setzt nach den Erkenntnissen von Bauschinger die Elastizitätsgrenze bei anschließender Verformung in entgegengesetzter Richtung herab. Der Bauschinger Effekt beruht auf der Ausbildung von inneren Spannungen, die entgegen der ursprünglichen Verformungsrichtung wirksam sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so zu führen, daß eine über den Querschnitt des Betonstahls sehr isotrope Kaltverfestigung erreicht wird. Der Erfindung liegt fernerhin die Aufgabe zugrunde, eine Anlage anzugeben, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung in verfahrenstechnischer Hinsicht, daß der Betonstahl im torsionsfreien Durchlauf in mehreren verschiedenen Biegeebenen, die äquidistant gegeneinander versetzt sind, einer mehrstufigen Biegeverformung um eine Biegerolle unterworfen sowie dadurch in den Biegeebenen superponiert mehrachsig kaltverfestigt wird, wobei eine Verlängerung des Betonstahls erreicht wird, und daß die Streckgrenze sowie die Dehnung durch das Maß der Verlängerung eingestellt werden. Vorzugsweise wird der Betonstahl in drei verschiedenen Biegeebenen, die um etwa 120° gegeneinander versetzt sind, einer dreistufigen Biegeverformung unterworfen. Der Betonstahl kann mit einer Durchlaufgeschwindigkeit von 1 bis 25 m/sec der mehrstufigen Biegeverformung unterworfen werden. - Da erfindungsgemäß der Betonstahl eine Biegung in gegeneinander wie beschrieben versetzten Biegeebenen erfährt, kann insoweit, um die Betonstahlachse betrachtet, von einem mehrachsigen Biegezustand oder auch von einem mehrachsigen Kaltverfestigungszustand gesprochen werden. Das führt im Durchlaufverfahren dazu, daß jeder Punkt der Betonstahloberfläche kontinuierlich wechselnd dieser Beanspruchung unterworfen wird. Das Resultat besteht in einer sehr gleichmäßigen und sehr isotropen Verfestigung und einer sehr definierten und gleichmäßigen Querschnittsabnahme. Überraschenderweise verschwindet der störende Bauschinger Effekt. Die Qualitätswerte des Betonstahls in bezug auf Streckgrenze, Zugfestigkeit und Bruchdehnung werden wesentlich verbessert und lassen sich über die Verlängerung, d.h. den Reckgrad, einstellen bzw. steuern. Die erfindungsgemäßen Effekte sind besonders ausgeprägt, wenn mit drei Biegeebenen wie beschrieben gearbeitet wird.

Im einzelnen bestehen im Rahmen der Erfindung mehrere Möglichkeiten der weiteren Ausbildung und Gestaltung. So ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Verlängerungsgrad des Betonstahls von zumindest 5% gearbeitet wird. Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung eine ausreichend ausgeprägte Biegeverformung verwirklicht werden muß. Bewährt hat sich, daß der Betonstahl an den einzelnen Biegerollen mit einem Umschlingungswinkel von 100 bis 150° geführt wird. Dabei kann mit Biegerollen gearbeitet werden, die einen Durchmesser in dem Durchmesserbereich aufweisen, der im Patentanspruch 6 angegeben worden ist.

Im Rahmen der Erfindung ist die Verfestigung über die Verlängerung, die der Betonstahl im erfindungsgemäßen Verfahren erfährt, einrichtbar und steuerbar. Dazu lehrt die Erfindung im einzelnen, daß die Verlängerung, die der Betonstahl bei der Verfestigung erfährt, und damit die Verfestigung, selbst bei vorgegebener Durchlaufgeschwindigkeit durch Auswahl des Durchmessers der Biegerollen und/oder Variation des Umschlingungswinkels eingerichtet wird. Im Rahmen der Erfindung liegt es, den Durchmesser der Biegerolle und/oder den Umschlingungswinkel in den einzelnen Biegeverformungsstufen unterschiedlich einzustellen. Jedenfalls kann der Umschlingungswinkel betriebsmäßig verstellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für die verschiedensten, in der Bauindustrie üblichen Betonstähle. Bewährt hat sich das Verfahren insbesondere, wenn mit einem Betonstahl im Durchmesserbereich von 6 bis 14 mm gearbeitet wird. Gegenstand der Erfindung ist es insbesondere, daß ein Betonstahl nach DIN 488 dem erfindungsgemäßen Verfahren unterworfen wird. Im Anschluß an die Verfestigung kann mit üblichen Hilfsmitteln ein Richten des Betonstahls durchgeführt werden, dabei oder danach erfolgt das übliche Ablängen auf die Längen, die der Betonstahl für die Verwendung haben muß.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anlage für die Durchführung einer Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens. Sie ist grundsätzlich gekennzeichnet durch drei Rollenrichtwerke mit jeweils definierter Biegeebene, die in Durchlaufrichtung des Betonstahls hintereinander, gegeneinander um 120° versetzt, angeordnet sind, wobei jedes Rollenrichtwerk zwei Stützrollen und eine im Bereich zwischen den Stützrollen angeordnete Biegerolle aufweist. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist die Biegerolle gegenüber den Stützrollen verstellbar und ist dadurch der Umschlingungswinkel einstellbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

• Fig. 1 die Rollenanordnung einer Anlage für die Durchführung des beschriebenen Verfahrens,
• Fig. 2 eine Ansicht des Gegenstandes der Fig. 1 in Durchlaufrichtung, in gegenüber der Fig. 1 wesentlich vergrößertem Maßstab.

In den Fig. 1 und 2 erkennt man drei Rollenrichtwerke 1, 2, 3 mit jeweils definierter Biegeebene A, B, C, die in Durchlaufrichtung des Betonstahls 4 hintereinander angeordnet sind. Sie sind gegeneinander um etwa 120° versetzt, wozu insbesondere auf die Fig. 2 verwiesen wird. Aus der Fig. 1 entnimmt man, daß jedes Rollenrichtwerk 1, 2, 3 zwei Stützrollen 5 und eine im Bereich zwischen den Stützrollen 5 angeordnete Biegerolle 6 aufweist. Diese ist in Richtung des Pfeiles, der in Fig. 1 im Bereich der Mitte angeordnet worden ist, verstellbar. Arbeitet man mit der erfindungsgemäßen Anlage, so wird der Betonstahl 4 im torsionsfreien Durchlauf in drei verschiedenen Biegeebenen A, B, C, die um etwa 120° gegeneinander versetzt sind, einer dreistufigen Biegeverformung um jeweils eine Biegerolle 6 unterworfen. Er wird dadurch in den drei Biegeebenen A, B, C superponiert dreiachsig kaltverfestigt. Dabei wird eine Verlängerung des Betonstahls 4 erreicht. Die Streckgrenze und die Dehnung können durch das Maß der Verlängerung eingestellt werden. Dazu können die Biegerollen 6 bezüglich des Biegerollendurchmessers d besonders ausgewählt und kann der Umschlingungswinkel a besonders eingestellt werden. - Entsprechend verfährt man, wenn mit mehr als drei Biegeebenen gearbeitet wird.

Ausführungsbeispiel

Ein gerippter Walzdraht der Abmessung 10 mm, Rippung gem. DIN 488, Stahl IV, und folgender Analyse:

• Kohlenstoff : 0,19%
• Silizium : 0,23 %
• Mangan : 0,79 %

Rest Eisen und übliche Beimengungen weisen im warmgewalzten Zustand folgende mechanische Eigenschaften auf:

• Streckgrenze Rp0,2 :
• 361 N/mm²
• Zugfestigkeit Rm :
• 562 N/mm²
• Bruchdehnung Aio :
• 24,7%
• Verhältnis Rm/RpO,2 :
• 1,56

Dieser warmgerippte Walzdraht wird über die beschriebene Anordnung geführt. Der Verlängerungsgrad beträgt ca. 6 %. Nach diesem kontinuierlichen Prozeß der Verfestigung ergaben sich folgende mechanische Eigenschaften (ohne künstliche Alterungsbehandlung):

• Streckgrenze Rp0,2 :
• 509 N/mm²
• Zugfestigkeit Rm :
• 626 N/mm²
• Bruchdehnung Aio :
• 19,2 %
• Gleichmaßdehnung A_10GI :
• 9,6 %
• Verhältnis Rm/RpO,2 :
• 1,23

Damit entspricht dieses Material den Anforderungen der DIN 488 Sorte B St 500 S.

Das Biege-Verfestigungs-Verfahren wird bevorzugt mit Betonstahl in folgendem Analysenrahmen ausgeführt:

• Kohlenstoff : 0,14 - 0,22 %
• Silizium : 0,15 - 0,40 %
• Mangan : 0,60 - 1,30 %

Rest Eisen und Beimengungen-Gehalte entsprechen der Vorgaben des Instituts für Bautechnik, Berlin.

Dem Biege-Verfestigungs-Vorgang nachgeschaltet ist eine kontinuierlich arbeitende Richtanlage, die das so verfestigte Material richtet und zu Stäbe definierter Länge ablängt. Beide Anlagen sind in Linie aufgestellt und arbeiten synchron. Das gerichtete Material kann als Vormaterial für Biege-und Bewehrungsbetriebe verwandt werden.